缓释型嵌入式复合生物炭在酸化黑土增碳减酸中的效应与机制

《Journal of Environmental Management》：Effects and mechanisms of sustained-release embedded composite biochar in carbon enhancement and acid reduction of acidified black soil

【字体：大中小】 时间：2026年10月01日 来源：Journal of Environmental Management 9.2

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　　 •球磨制备缓释嵌合生物炭复合材料。•施用材料提高了酸化黑土的土壤碳含量并降低了酸性。•该材料通过中和、碳库积累和微生物调节实现增碳降酸。•施用后对碳固定途径（如4-羟基丁酸循环）和产酸代谢途径（如丁酸代谢）产生了显著改变。引言东北黑土酸化与土壤肥力下降并存（Zhao等，201

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球磨制备缓释嵌合生物炭复合材料。
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施用材料提高了酸化黑土的土壤碳含量并降低了酸性。
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该材料通过中和、碳库积累和微生物调节实现增碳降酸。
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施用后对碳固定途径（如4-羟基丁酸循环）和产酸代谢途径（如丁酸代谢）产生了显著改变。

引言

东北黑土酸化与土壤肥力下降并存（Zhao等，2013），两者均构成亟待解决的紧迫问题。传统酸化土壤修复技术存在共同的缺陷，限制了其效果。矿物调理剂容易导致土壤板结和碱基阳离子失衡（Richer-de-Forges等，2024），而有机调理剂则存在养分流失的风险（Feng等，2025）。生物炭提供了一种有前景的替代方案，直接施用生物炭可调节土壤酸性、提高土壤pH值并增强肥料保持能力，从而改善酸性土壤条件（Uwiringiyimana等，2024；Zhang等，2025；Xie等，2015）。此外，其广泛的比表面积和微孔结构为有益微生物创造了良好的栖息环境，支持土壤微生物群落的稳定性（Sharma等，2025）。然而，生物质原料热解能耗高（>500 °C，处理成本为200–300美元/吨），且单一生物炭的效果有限。通过功能修饰或与活性组分复合制备的生物炭基材料可以增强其固有功能和附加功能，提高对污染物的定向去除效果，改善土壤理化性质和微生物生态。然而，现有大多数研究集中于红土酸化的修复，而对黑土改良策略的研究仍显不足，需要进一步关注。

研究表明，铁改性生物炭通过富集表面羟基和诱导不同氧化铁相的形成，可显著提高生物炭的表面化学活性和吸附位点的暴露程度，从而增强其在土壤中固定无机养分的能力，并改善土壤缓冲能力和pH稳定性（Chon等，2024）。聚合物包覆或聚合物复合生物炭可提供受控养分释放并抑制淋溶，同时增强材料在土壤环境中的结构完整性和抗降解能力，从而延长其改良效果并提高长期稳定性（Chen等，2018）。

缓释材料通过持续释放碱性物质（包括钙和镁），在酸化土壤中提供长期稳定的中和作用。与石灰等传统调理剂相比，它们有效缓解了剧烈的pH波动和淋溶风险，从而改善土壤养分的持续有效性。其缓释机制减少了施用频率和总用量，从而降低劳动力和经济成本，提高材料利用效率，并减轻环境污染风险。在缓释材料的制备技术方面，嵌合技术作为固化的核心方法，因其温和的操作条件和有效的活性保留，已在医药、食品（Zhu等，2022）（Zabot等，2022）和环境领域（Valdivia-Rivera等，2021）得到广泛应用。此外，它还具备抗环境扰动（如pH波动和重金属胁迫）（Jhariya等，2025）和可重复使用（Liang等，2013）等优势。然而，其在土壤改良中的应用尚未得到充分研究。

球磨是一种物理机械混合技术，可有效增加材料的比表面积并增强其吸附能力。研究表明，高能碰撞和高速剪切力可实现快速负载和纳米级分散，使生物炭的比表面积提高至110 m²/g，并显著改善活性位点的暴露程度（Han和Perner，2016a）。此外，该工艺无需化学交联剂或高温处理，从而避免了交联剂等敏感材料造成的环境污染（Gao等，2024）。此外，球磨可与金属、陶瓷和聚合物等多种材料兼容，从而克服了传统水凝胶载体的局限性（Hu等，2023a）。在制造工艺方面，球磨设备简单、节能、成本低且支持连续生产（Hu等，2023b），与绿色化学原则高度契合（Gao等，2025）。因此，本研究采用球磨集成方法，通过结合生物炭、还原铁粉和高分子材料制备缓释嵌合材料。该方法有效克服了传统嵌合技术的局限性，这些传统技术往往高度依赖化学试剂、工艺复杂或在大规模应用方面存在限制。此外，它全面考虑了设备简单性、能耗、生产成本和可扩展性等实际问题。

我们提出了一种新型缓释嵌合复合生物炭材料的设计与制备方法。该材料通过球磨集成工艺制备，引入铁基组分（Liu等，2023；Zeng等，2025；Brumovsky和Tunega，2025；Hayder和Naim，2025）以增强吸附能力和质子中和能力，并结合聚合物材料（Boehm，2002）以提高结构稳定性和缓释性能。通过整合相关材料性能表征与环境效应评价，该方法可有效实现土壤增碳降酸。本研究以东北黑土为研究对象，聚焦土壤酸化和有机质降解问题。通过长期培养试验评估复合材料在酸化黑土中的稳定性以及持续增碳降酸性能。通过理化指标测定和有机碳库组分分析，并结合宏基因组测序，系统研究了不同施用量浓度下材料的改良效果。此外，阐明了碳积累和降酸的机制，涵盖理化改良、碳库积累和微生物调节等多种途径。本研究的目的是提出一种新型材料，为东北黑土的可持续管理提供理论支持，同时为酸化土壤修复和有机碳库提升奠定科学基础。

章节片段

生物炭材料

本研究使用的生物质样品为来自中国东北地区的典型作物秸秆，包括玉米、大豆、小麦和稻草。秸秆样品（中国辉峰秸秆农产品深加工公司）经破碎、过40目筛后储存备用。

负载与嵌合材料

在本研究中，铁粉被用作铁基还原剂。对几种商用聚合材料的pH稳定性进行了评估，并考虑

复合材料筛选结果

通过正交试验（表S3），确定了生物炭的最佳热解条件如下：大豆秸秆原料、600 °C温度、4 °C/min升温速率和60分钟等温保持时间。根据文献报道以及对pH、负载能力和铁碳耦合要求的实验评估，选择铁粉作为还原剂。嵌合材料选择壳聚糖和阴离子聚丙烯酰胺，因为其

驱动土壤有机碳增加的机制分析

尽管CS1组和PAM1组在六大主要碳固定途径——即Calvin-Benson-Bassham循环、二羧酸途径、还原性乙酰辅酶A途径、4-羟基丁酸循环、3-羟基丙酸双循环和需氧氧化——的活性上表现出相反趋势（CS1下调而PAM1上调），但两组最终均通过不同机制实现了碳积累和土壤降酸（图6a）。

在CS1组中，土壤有机碳积累主要由

结论

为缓解中国东北黑土的土壤酸化和有机质耗竭问题，本研究开发了两种长效缓释嵌合复合生物炭材料，证明其在提高土壤碳含量和降低酸性方面效果显著。

该材料具有高比表面积（BET 81.6-134.05 m²/g）和丰富的碱性官能团（–OH、–NH₂、C–O–C），赋予其优异的缓释中和能力（pH恢复率高达100%）

作者贡献声明

Yali Sun：论文撰写—审阅与编辑、论文撰写—初稿、可视化、方法学、形式分析。Wenxin He：论文撰写—审阅与编辑、论文撰写—初稿、可视化、方法学、形式分析。Guangxuan Yin：论文撰写—审阅与编辑、可视化。Junhao Wan：论文撰写—审阅与编辑、可视化。Ciming Yi：论文撰写—审阅与编辑。Jian Ke：方法学、形式分析。Weitao Shen：方法学、形式分析。Mingshuang Zhang：方法学、形式

基金资助

本研究由中国国家重点研发计划（2023YFD1501000）和中国国家自然科学基金（42207275）资助。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢